Продукционный процесс у растений исключительно сложен. Он складывается из разного рода взаимодействий и обратных связей в работе фотосинтетического аппарата, начиная от первичных процессов фотосинтеза и кончая ростовыми и органообразовательными процессами у растений в условиях фитоценоза, где формируется реальный урожай.
К настоящему времени установлен ряд фундаментальных положений о роли спектра и интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) в формировании наиболее важных составляющих продукционного процесса. Так, установлены общие закономерности воздействия излучения различных участков спектра ФАР на рост, развитие, направленность биосинтеза, фото- регуляцию и на другие процессы, влияющие на формирование конечной продукции. Исследования по этим вопросам отражены в монографиях советских ученых Н. А. Максимова [1955], А. Ф. Клешнина [1954], Н. П. Воскресенской [1965], Б. С. Мошкова [1966], В. М. Лемана [1971], И. А. Шульгина [1973] и др., а также зарубежных: Рабиновича [1951, 1953, 1959], Ван дер Вина и Мейер [1962] и др. Однако среди этих работ лишь монография Н. П. Воскресенской [1965] целиком посвящена спектральному составу света. В остальных работах изучению роли спектрального состава света отводилась только часть излагаемого материала. Более того, ни в одной из монографий не рассматривались последовательно вопросы формирования продуктивности растений в условиях различного спектрального состава ФАР. Внимание уделялось либо частным вопросам влияния излучения различных источников света на урожай растений, либо отдельным слагаемым продукционного процесса, таким как фотосинтез, рост и развитие и др. Что касается непосредственно исследований влияния спектрального состава света на продуктивность растений, то, как правило, опыты проводили на молодых отдельно стоящих растениях, не испытывающих влияния ценотических взаимодействий, а совокупность используемых спектральных комбинаций и уровней облученностей ФАР была крайне ограниченной. Систематический подход к оценке роли спектрального состава в продуктивности ценозов растений на фоне широкого варьирования спектрального состава света и интенсивности ФАР при соблюдении единых методик в контролируемых условиях среды не был осуществлен ни отечественными, ни зарубежными авторами.
Это дает нам основания считать, что роль спектрального состава света в формировании продукционного процесса растений до сих пор исследована крайне недостаточно.
Несомненно, что углубленное изучение отдельных составляющих продукционного процесса при различном спектральном составе света будет последовательно и постепенно приближать нас к пониманию ответа фитоценоза как системы в целом на тот или иной спектральный режим облучения. Поэтому такое направление исследований имеет право на существование, оно создает определенные возможности детально разобраться в механизмах воздействия света различного спектрального состава на фотосинтетический аппарат растений на разных уровнях его организации. Однако понимание продукционного процесса в целом, прогнозирование конечной продуктивности растений при такой постановке исследований вряд ли достижимы.
Для решения этого вопроса необходимо, на наш взгляд, изучение воздействия спектрального состава света на высшем уровне организации фотосинтетического аппарата — цепотическом. При работе с ценозами растений выявление лимитирующих факторов, которые могут находиться на разных уровнях организации фотосинтетического аппарата, позволяет целенаправленно искать реальные пути повышения продуктивности растений. При этом можно с достаточной полнотой исследовать различные процессы, лежащие в основе жизнедеятельности растений, выявляя степень их связи с продуктивностью растений при заданных спектральных режимах облучения.
Последнее обстоятельство может быть корректно использовано, если информация получена в серии экспериментов, выполненных на общей методической основе, когда меняются только спектральные или энергетические характеристики ФАР. К сожалению, эти условия редко удается реализовать, и исследователи, имея информацию, полученную в разных условиях и при разном метрологическом обеспечении, часто приходят к неодинаковым выводам. Кроме того, ценность результатов резко снижается, когда в качестве источников света различного спектрального состава используются лампы без учета различий их инфракрасного и ультрафиолетового излучений, характера линейчатости спектра, пространственного распределения лучистого потока и других факторов, привносимых конструктивными особенностями тех или иных типов ламп. Использование в экспериментах серийных источников света не позволяет изучить влияние излучения отдельных спектральных областей ФАР и их дозированных сочетаний на те или иные стороны продукционного процесса, а использование светофильтров резко снижает уровни облученности ФАР и ввиду этого делает бессмысленными исследования по продуктивности растений.
Таким образом, подходы к оценке роли спектрального состава света в продуктивности растений нуждаются в совершенствовании.
С учетом изложенного целью настоящей книги является рассмотрение продукционного процесса в целом и ряда его составляющих (фотосинтез, рост и развитие, качество биомассы), при широком варьировании спектральных и энергетических характеристик лучистого потока. Для решения поставленной задачи были проведены комплексные исследования, выполненные по единой методике в контролируемых условиях среды при использовании универсальных светотехнических устройств, позволяющих менять спектральный состав и интенсивность ФАР при постоянстве всех других светотехнических характеристик.
Разумеется, книга не претендует на полноту охвата всей исследуемой проблемы. Основное внимание сосредоточено на рассмотрении спектральной эффективности действия ФАР для ряда вышеуказанных составляющих продукционного процесса, в то время как вопросы фоторегуляции, направленности фотосинтети- ческого метаболизма и другие тонкие механизмы, лежащие в основе жизнедеятельности растений, в данной работе не рассматриваются.
На основе полученного экспериментального материала предложены физиологически обоснованные принципы оценки спектральной эффективности излучения ФАР в продуктивности растений и сформулированы предложения по созданию специализированных растениеводческих ламп с оптимизированным спектральным составом ФАР для выращивания определенных видов растений.
Разумеется, не все закономерности взаимодействия света различного спектрального состава с фотосиптетическим аппаратом растений, представленные в настоящей книге, удалось проанализировать достаточно глубоко, не всегда понятен механизм такого взаимодействия. Дальнейшее движение в этом направлении невозможно без привлечения физических, биофизических, биохимических и других современных методов исследования растений, комплексных усилий специалистов разных профилей. Изложенные в данной работе результаты помимо самостоятельного значения могут служить ориентирами в таком движении.
Подобные исследования, по нашему мнению, должны быть в первую очередь направлены на изучение вопросов оптимизации спектра и интенсивности ФАР в продукционном процессе растений на разных этапах их вегетации, а также на изучение возможностей использования света разного спектрального состава в организации направленного биосинтеза биологически ценных соединений различного назначения. Совершенно не исследованной в продуктивности растений остается пока спектральная эффективность действия ФАР, представленная линейчатыми спектрами разной структуры, ждут своего решения вопросы оценки роли инфракрасной радиации различного спектрального состава в жизнедеятельности растений и так далее.
Авторы глубоко благодарны академику А. Т. Мокроносову и члену-корреспонденту АН СССР А. А. Ничипоровичу за внимание и поддержку при проведении исследований, доктору биологических наук (Н. П. Воскресенской) и кандидату биологических наук Н. Н. Протасовой за обсуждение результатов исследований и критические замечания, доктору технических наук Г. С. Сарычеву и кандидату технических наук Л. Б. Прикупцу, принимавшим участие в обсуждении прикладных аспектов исследуемой проблемы и предоставившим квазимонохроматические источники света собственной разработки, с использованием которых была выполнена большая часть фотобиологических экспериментов. Авторы искренне признательны научному сотруднику И. Г. Золотухину, совместно с которым проведены эксперименты и получены результаты, использованные в главах по росту и развитию, биохимии и продуктивности растений. Авторы благодарят всех коллег, принявших участие в обсуждении и оказавших содействие данной работе.